基于FEM理论和ANSYS软件对加强圈对外压圆筒临界失稳压力的影响分析

尤少炜，朱春禹，李永刘，王金玲（大连理工大学化工机械与安全学院，辽宁大连 116000）

基于FEM理论和ANSYS软件对加强圈对外压圆筒临界失稳压力的影响分析

尤少炜，朱春禹，李永刘，王金玲
（大连理工大学化工机械与安全学院，辽宁大连 116000）

为增强容器的刚性和稳定性而固定于容器的内侧或外侧的环状构件称为加强圈。在外压容器设计中，有无加强圈以及加强圈的大小、形状与圆筒临界失稳压力有着密切的关系。以有限单元分析法（FEM）为基础，应用ANSYS软件对加强圈对外压圆筒临界失稳压力的影响进行量化分析。

加强圈；外压容器；有限单元分析法；ANSYS软件

1　有限单元分析法（FEM理论）和ANSYS软件介绍

1.1FEM理论

有限元分析（FEM理论）是利用数学近似的方法来对真实的物理系统进行模拟。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点（有限元）组成的几何模型，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

1.2ANSYS软件介绍

有限元分析软件ANSYS是工程上常用的大型有限元分析软件。ANSYS软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块，可以进行电磁、力学、流体、温度等多物理场的有限元计算和耦合。

2　外压容器加强圈的定义和作用

外压容器失稳是化工设计中广泛研究的问题。提高失稳临界压力的方法主要有两个：增加圆筒厚度δ或减小圆筒计算长度L。后者更具经济性。工程上要减小圆筒计算长度，一般会在圆筒外部或内部设置加强圈。加强圈可以提高容器的承压能力，同时也可以减小壳体厚度，提升刚性和稳定性。

3　加强圈对临界失稳压力的影响

3.1材料和几何结构尺寸参数

本实验采用常见的压力容器用材Q345R，分别计算讨论不同加强圈结构对外压容器临界压力的影响，其实验参数见表1。

表1　实验参数

3.2有无加强圈的FEM弹塑性失稳分析

本次数值分析实验参数见表1，考虑有初始许可小缺陷，对筒体的中间加一个加强圈和没有加强圈分别建立有限元模型进行分析求解，其模型建立和求解过程如下（假设材料为理想弹塑性材料）。

3.2.1有限元模型

本文采用ANSYS12.0有限元结构分析软件，利用参数化语言APDL，建立参数化模型。

3.2.1.1单元选择与实常数

对于各向同性低碳钢材料，不考虑几何非线性，选用SHELL181单元。该单元是一种4节点3D壳单元，每个节点有6个自由度，即沿X，Y，Z方向的移动自由度和转动自由度。

3.2.1.2边界条件

简支短圆筒的边界条件：一端施加轴向位移约束；两端均施加环向位移约束。

3.2.2特征值法

利用ANSYS12.0软件进行特征值失稳分析。

特征值法屈曲分析（线性屈曲）是以小位移、小应变的线弹性理论为基础，假定屈曲发生导致结构构形才会转移到另一平衡位置，其他受载过程不会影响构形，其屈曲载荷由以下线性广义特征值方程确定。（［K0］+λ［Kσ］）u=0

3.2.3求解过程

利用ANSYS12.0软件进行特征值失稳分析。其步骤为：

①建立几何模型或有限元模型；

②打开应力效应选项，以获得失稳分析用的应力刚度，进行静力求解；设定静态分析类型。在短圆筒的外表面施加载荷1MPa。

③设置屈曲模态数目和扩展选项，进行特征值屈曲求解；模态分析理论选择组中选择 Block Lanczos法并提取1阶模态输出。

④观察结果，得到各个屈曲模态的解。

由此完成圆筒弹塑性失稳非线性分析，可分别得到有无加强圈的临界失稳压力，其具体结果为有加强圈的圆筒临界压力为3.389MPa，无加强圈则为1.554MPa。这说明在筒体增加加强圈能较好地提高其临界失稳压力，即提高筒体的稳定性。

3.3不同加强圈尺寸对临界压力的影响分析

表2　不同h值（b=20mm）的临界失稳压力

表3　不同b值（h=60mm）的临界失稳压力

对表2和表3中的数据分析可知：当b为定值时，h值增大，其相应的临界失稳压力呈减少的趋势，这与加强圈的理论结论有出入，这可能是因为b值选得不合适或初始缺陷的影响所导致；而当h为定值时，b值增大，其相应的临界失稳压力呈增大的趋势，这与加强圈的理论结论是一致的。这表明选择合理的h值和b值能增大筒体的临界失稳压力，提高筒体的稳定性。

［1］ 张宗尧，赵石军.基于ANSYS的外压容器稳定性分析［J］.一重技术，2010，（2）：1-2.

［2］ 李志义，喻健良，刘志军.过程机械［M］.北京：化学工业出版社，2008：67-73.

The Strengthening of the External Ring Pressure Cylinder Critical Pressure Impact Analysis Based on Fem Theory and Ansys Software

You Shao-wei，Zhu Chun-yu，Li Yong-liu，Wang Jin-ling

In order to enhance the rigidity and stability of the container is fixed to the annular member inside or outside of the container called stiffening ring.External pressure vessel design，with or without stiffening ring and the size of the stiffening ring，the cylindrical shape of the critical buckling pressure is closely related.Finite element analysis（FEM）based on application of ANSYS software to enhance the impact of external pressure cylinder ring critical buckling pressure of quantitative analysis.

stiffening ring；external pressure vessel；finite element analysis；ANSYS software

TQ320.724

A

1003-6490（2016）05-0237-02

2016-04-27

尤少炜（1995—），男，天津人，本科在读，主要研究方向为过程装备、化工容器。